DE3727058A1 - Schaltungsanordnung zum einstellen der helligkeit von lampen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Einstellen der Helligkeit von Lampen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Schaltungsanordnungen werden als Dimmer bezeichnet und dienen zur Helligkeitsregelung von herkömmlichen Glühlampen oder Leuchtstofflampen. Die Einstellung der Helligkeit dieser Lampen erfolgt durch einen Phasenanschnitt der Versorgungsspannung, z.B. mit Hilfe eines Triacs, der bei jeder Halbwelle der Versorgungs- bzw. Netzspannung über einen Diac gezündet wird. Der Zündungszeitpunkt wird durch die mit einem Potentiometer eingestellte Phasenverschiebung eines RC-Netzwerkes bestimmt. Der Zündwinkel kann hierbei im Bereich von ca. 5° bis 150° variiert werden. Bei einer herkömmlichen Glühlampe tritt schon bei kleinen Zündwinkeln eine Verringerung der Helligkeit ein, bei einem Phasenanschnitt von 90° wird nur noch die Hälfte der Leistung übertragen. Das Potentiometer zur Phasenverschiebung bei üblichen Dimmern ist so ausgelegt, daß eine genaue Einstellung der Zündwinkel von ca. 0° bis etwa 120° möglich ist.

Nun werden seit einiger Zeit auf dem Markt sogenannte Energie­ sparlampen angeboten, die bei gleicher Lichtausbeute wie gewöhn­ liche Glühlampen nur ca. 20% von deren Leistungsbedarf haben. Diese Energiesparlampen können ohne zusätzliche Maßnahmen gegen herkömmliche Glühlampen ausgetauscht werden. Im Moment werden auf dem Markt zwei Versionen von Energiesparlampen angeboten, nämlich Sparlampen mit Drosselspule und Starter, wie dieses von normalen Leuchtstofflampen bekannt ist, und Sparlampen mit elektronischen Vorschaltgeräten. Beide Arten von Energiesparlampen können weder mit den für Glühlampen noch mit den für Leuchtstofflampen angebotenen Dimmern in ihrer Helligkeit geregelt werden, vielmehr würde eine Verwendung herkömmlicher Dimmer mit derartigen Energiesparlampen zu deren Zerstörung führen.

Aus diesem Grunde ist es in der DE-OS 28 29 178 vorgeschlagen worden, für Energiesparlampen mit elektronischem Vorschaltgerät eine Steuerschaltung für die Phase der Versorgungsspannung zur Begrenzung des den Lampen zugeführten Stromes einzuführen, wobei zusätzlich zur Energiesparlampe eine Grundlast parallel geschal­ tet wird. Das elektronische Vorschaltgerät arbeitet hierbei mit Gleichspannung, die durch Brückengleichrichtung der Versorgungs­ spannung und anschließende Glättung erzeugt wird. Bei Phasen­ winkeln zwischen 0 und ca. 80° wird hierbei keine Energie an die Energiesparlampe übertragen. Die Leuchtstärke der Energiespar­ lampe ist abhängig vom Gleichspannungspegel im elektronischen Vorschaltgerät. Dieser Pegel ändert sich erst bei Phasen- bzw. Zündwinkeln von größer als 90°. Die Einstellung der Helligkeit der Energiesparlampen erfolgt durch Phasenanschnitt im Bereich zwischen 90 und 170°.

Mit einer solchen Schaltungsanordnung können zwar derartige Energiesparlampen in ihrer Helligkeit ausreichend geregelt werden, jedoch ergeben sich Schwierigkeiten , wenn derartige Energiesparlampen mit herkömmlichen Glühlampen gemeinsam verwendet werden. Durch die unterschiedliche Phasenansteuerung erhalten die Glühlampen nur etwa die Hälfte der Leistung, die für eine den Energiesparlampen entsprechende Helligkeit notwendig ist. Somit kann die Helligkeit beider Lampenarten nicht gleichmäßig eingestellt werden, was jedoch für eine gemischte Bestückung in einer Beleuchtungsanlage erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanord­ nung der in Rede stehenden Art zum Einstellen der Helligkeit von Lampen anzugeben, mit der auch Lampen unterschiedlicher Art, insbesondere Glühlampen und Energiesparlampen in einer Be­ leuchtungsanlage in ihrer Helligkeit gleichmäßig geregelt werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß wird die Steuerschaltung für die Schaltungsanordnung so ausgeführt, daß die Versorgungsspannung symmetrisch zum Schei­ telpunkt bzw. den Maximalwerten der Versorgungsspannung abge­ schaltet wird. Während des ersten Phasenwinkels einer Sinuswelle bis zu einem Phasenwinkel von ca. 80° wird keine Energie an Energiesparlampen übertragen, wohl aber an die in der gemeinsamen Beleuchtungsanlage vorhandenen Glühlampen. Eine gleichmäßige Helligkeitseinstellung beider Lampenarten können durch eine Abschaltung des Maximalwertes der Versorgungsspannung symmetrisch zum Scheitelwert erfolgen. Eine solche Abschaltung symmetrisch zum Spitzenwert ist durch die Verwendung z.B. eines gesteuert abschaltbaren GTO-Thyristors oder durch einen aus Transistoren aufgebauten Schalter möglich.

Versuche haben gezeigt, daß mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung die Helligkeit von Energiesparlampen und Glühlampen wesentlich besser geregelt werden kann als mit herkömmlichen Dimmerschaltungen, die lediglich den Zündwinkel begrenzen. Dies betrifft sowohl die Flackerfreiheit als auch den Einstellbereich für die Helligkeit.

Es zeigt sich, daß zwar die Helligkeitsreduzierung mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung bei Glühlampen eher beginnt als bei Energiesparlampen; anschließend erfolgte jedoch eine gleichmäßige Helligkeitsreduzierung, so daß beide Lampenarten etwa gleichmäßige Helligkeit zeigten. Der Unterschied in der Helligkeitsregelung entspricht damit dem beim Dimmen von Glühlampen unterschiedlicher Leistung mit einem Standarddimmer.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung (Dimmer) zum Einstellen der Helligkeit von Lampen, insbesondere Glühlampen und Energiesparlampen in einer Beleuch­ tungsanlage;

Fig. 2 einen detaillierten beispielhaften Schaltplan für einen Dimmer gemäß der Erfindung;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Lastspannung über eine Sinuswelle der Versorgungsspannung, der mit Hilfe einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung erzielt wird;

Fig. 4a und b jeweils Signaldiagramme, die innerhalb der Schaltungsanordnung gemaß der Erfindung zur Phasenan­ steuerung und beim Lastspannungsverlauf auftreten.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Dimmers 1 bei einer Zweidrahtausführung mit einer Phasenleitung 2 und einer Masse­ leitung 3 gezeigt. Der Dimmer besteht im einzelnen aus einer Spannungsversorgung 4, einer Schaltung zur Netzsynchronisation, einer Ansteuerlogik 6 und einem Leistungsteil 7 für eine in der Helligkeit einzustellende Lampe 8, in diesem Falle eine Energie­ sparlampe. Die Spannungsversorgung stellt die Betriebsspannung für die Schaltung zur Netzsynchronisation 5 und die Ansteuerlogik 6 zur Verfügung. Die Schaltung 5 zur Netzsynchroni­ sation erzeugt bei jedem Nulldurchgang der Netzspannung einen Impuls zur Synchronisation der Ansteuerlogik 6. Diese liefert ihrerseits die Zünd- und Löschsignale für die Lampe 8 zur Erzeugung eines symmetrischen Phasenanschnitts der Netzspannung durch den Leistungsteil 7.

In Fig. 2 ist ein detailliertes Schaltbild des Dimmers angegeben.

Die Spannungsversorgung, die eine Versorgungsspannung von 5 Volt liefert, erfolgt bei der angegebenen Zweidrahtausführung mit Hilfe eines Vorwiderstandes 10, einer nachgeschalteten Diode 11, einer Zenerdiode 12 und einem parallel zu den Anschlüssen der Zenerdiode geschalteten Glättungskondensator direkt aus dem Spannungsabfall bei einer Halbwelle über einen Leistungsschal­ ter 14, in diesem Falle einem MOS-Transistor im Leistungsteil 7. Zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung muß ein minimaler Phasenanschnitt auch bei maximaler Helligkeit der Lampe 8 erhalten bleiben. Um diesen minimalen Phasenanschnitt und auch die geometrischen Abmessungen des Glättungskondensators 13 möglichst klein zu halten, werden die Schaltung 5 zur Netz­ synchronisation und die Ansteuerlogik hochohmig ausgelegt. Als integrierte Bausteine werden z.B. CMOS-ICs verwendet.

Im Falle einer Dreidrahtrealisierung bzw. bei erhöhtem Bauelementeaufwand kann die Versorgungsspannung durch andere Schaltungen erzeugt werden. Hierdurch kann der Zwang zu einer möglichst verlustarmen Realisierung der nachfolgenden Komponenten, insbesondere der Schaltung 5 zur Netzsynchronisa­ tion und der Ansteuerlogik 6 entfallen.

Die Schaltung 5 zur Netzsynchronisation weist einen Brücken­ gleichrichter 15 auf, der an gegenüberliegenden Punkten einmal über einen Vorwiderstand 16 mit der Phasenleitung 2 und zum anderen direkt mit der Massenleitung 3 verbunden ist. Die beiden anderen Schaltungspunkte des Brückengleichrichters 15 sind mit der Basis bzw. dem Emitter eines Transistors 17 mit einem entsprechenden Basiswiderstand 18 verbunden. An den Kollektor des Transistors 17 ist über einen Widerstand 19 die Versor­ gungsspannung von 5 Volt aus der Spannungsversorgung 4 angelegt. Aus dem Kollektorsignal des Transistors 17 wird mit Hilfe eines logischen Gatters 19, in diesem Falle eines EXOR-Gatters abge­ leitet, an dessen Ausgang bei jedem Nulldurchgang der Netz­ spannung ein Synchronisationsimpuls erscheint; vgl. Fig. 4a.

Die angegebene Schaltung zur Netzsynchronisation leitet den Nulldurchgang der Netzspannung direkt aus dieser ab, so daß es sich um keinen echten Zweidrahtaufbau der angegebenen Schaltung handelt. Eine Netzsynchronisation in Zweidrahttechnik ist in Analogtechnik bei entsprechenden Bauteileaufwand möglich. Bei einer Zweidrahtausführung sind zusätzliche Maßnahmen vorzusehen, um beim Phasenanschnitt den tatsächlichen Nulldurchgang der Netzspannung zu detektieren und damit eine laufende Nach­ synchronisation bei gedimmtem Betrieb sicherzustellen. Eine digitale Ausführung der Schaltung zur Netzsynchronisation ist ebenso möglich, z.B. mit einer PLL, etwa einem CMOS-Baustein. Vor allem bei einer Zweidrahtausführung verringert sich der Aufwand und die Störanfälligkeit.

Der am Ausgang des Gatters 19 erscheinende Synchronisations­ impuls wird zwei Monoflops 20 und 21 in der Ansteuerlogik 6 zugeführt. Der jeweils andere Signaleingang der beiden Monoflops ist mit einem an die Spannungsversorgung 4 geschalteten Zwei­ fach-Potentiometer 22 verbunden, mit dem die Impulslänge zur Steuerung des Phasenanschnitts eingestellt wird. Die beiden Monoflops 20 und 21 werden durch die Synchronisationsimpulse getriggert, wobei das erste Monoflop 20 einen mit dem Synchro­ nisationsimpuls beginnenden und nach der über das Zweifach- Potentiometer 22 eingestellten Impulslänge abfallenden Impuls abgibt; vgl. Fig. 4b.

Der Ausgangsimpuls des zweiten Monoflops 21 beginnt ebenfalls mit dem Synchronisationsimpuls und endet eine Impulslänge vor dem nächsten auftretenden Synchronisationsimpuls, wobei diese Impulslänge der Impulslänge des ersten Monoflops entspricht und ebenfalls durch das Zweifach-Potentiometer 22 eingestellt ist; vgl.Fig. 4c.

Die Signalausgänge der beiden Monoflops werden einem Gatter 23 zugeführt, in diesem Falle wieder einem EXOR-Gatter. Dessen Ausgang ist mit dem einen Signaleingang eines weiteren EXOR- Gatters 24 verbunden, dessen zweiter Eingang an Masse liegt. Das Ausgangssignal dieses zweiten EXOR-Gatters 24 wird der Basis eines Steuertransistors 25 zugeführt, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor über einen Kollektorwiderstand 26 und einen Optokoppler 27 in dem Leistungssteil 7 mit der Spannungs­ versorgung 4 verbunden ist.

Für die Ansteuerlogik 6 sind auch digitale Ausführungsbeispiele möglich und vorteilhaft, insbesondere dann, wenn die Schaltung 5 zur Netzsynchronisation digital ausgeführt ist. Anstelle der Monoflops werden dann Zähler verwendet. Eine digitale Ausfüh­ rung hat höhere Temperaturstabilität, der Einstellbereich des Dimmers wird abhängig von der Wortbreite der Zähler.

Der Leistungsteil 7 weist als Leistungsschalter den schon erwähnten MOS-Transistor 14 auf, dem ein Brückengleichrichter 28 vorgeschaltet ist, um beide Halbwellen der Netzspannung schalten zu können. Zwei gegenüberliegende Schaltungspunkte des Brücken­ gleichrichters 28 sind mit der Lampe 8 bzw. der Massenleitung 3 verbunden, die beiden anderen gegenüberliegenden Brückenpunkte sind mit der Drain- bzw. Source-Elektrode des MOS-Transistors 14 verbunden. Der MOS-Transistor 14 wird von einem Steuertransistor 29 angesteuert, der seinerseits Signale von dem Optokoppler 27 erhält. Der MOS-Transistor 14 legt die Lampe 8 an die Netz­ spannung ab dem Anstieg des Ausgangssignales des ersten Monoflops 20 bis zum Abfall des Ausgangssignales des zweiten Monoflops 21. Auf diese Weise wird ein symmetrischer Bereich um den Spitzenwert der Netzspannung ausgeblendet, wobei die Breite dieses Bereiches durch das Zweifach-Potentiometer 22 einstellbar ist.

Wegen des Brückengleichrichters 28 treten Potentialunterschiede bei gesperrtem MOS-Transistor 14 auf, so daß eine Ansteuerung mit Potentialtrennung notwendig ist, was in diesem Falle durch den Optokoppler 27 ermöglicht wird.

Auch für den Leistungsteil 7 sind andere Schaltungsaufbauten möglich, so z.B. Aufbauten mit Triacs als Leistungsschalter, bei denen keine Gleichrichtung und keine Potentialtrennung erforder­ lich ist. Allerdings wird hierbei ein höherer Aufwand zum Löschen des Triacs erforderlich. Ebenso ist keine Potential­ trennung bei Verwendung zweier unidirektionaler Schaltelemente notwendig. Hier muß jedoch ein erhöhter Bauteileaufwand wegen der erforderlichen doppelten Ansteuerung in Kauf genommen werden. Ebenso wäre eine Realisierung mit gesteuerten Thyristo­ ren, wie GTO-Thyristoren möglich. Für den hier in Frage stehenden Leistungsbereich sind solche GTO-Thyristoren heute jedoch noch kaum erhältlich. Der Leistungsteil kann auch mit Bipolar-Transistoren, etwa in Darlington-Schaltung realisiert werden. Wenn lediglich ein unidirektionales Schaltelement und ein Brückengleichrichter verwendet wird, ist wiederum Potential­ trennung erforderlich. Eine solche Ausführungsform wäre allerdings billig, einfach zu realisieren und erfordert nur geringen Kühlaufwand für den einzelnen Leistungshalbleiter.

Der Lastspannungsverlauf ist in Fig. 4e gezeigt, wobei deutlich die Abschaltperioden der Netzspannung zu ersehen sind. Schematisch ist dieses in Fig. 3 gezeigt, in der eine Sinus­ welle der Lastspannung UL mit den Abschaltperioden dargestellt ist. Die Netzspannung steigt sinusförmig an, bis zum Abfall des Signales des zweiten Monoflops 21 und wird erst wieder mit dem Abfall des Ausgangssignales des ersten Monoflops 20 eingeschaltet, so daß ein Ausschaltbereich symmetrisch um den Spitzenwert der Netzspannung verbleibt. Der gleiche Verlauf erfolgt im negativen Teil der Sinuswelle. Die Bereiche, in denen die Lampe 8 an die Netzspannung gelegt ist, sind mit I, II, III und IV fortlaufend bezeichnet.

An eine Energiesparlampe wird im wesentlichen im zweiten und vierten Bereich Energie übertragen, d. h. im absteigenden Ast der positiven Halbwelle und im ansteigenden Ast der negativen Sinus- Halbwelle. Wird eine Energiesparlampe in einer Beleuchtungsanlage gemeinsam mit normalen Glühlampen verwendet, so werden auch diese durch die angegebene Schaltungsanordnung in ihrer Helligkeit entsprechend den Energiesparlampen eingestellt. Im ersten und dritten Bereich, d.h. im ansteigenden Ast der positiven Sinus-Halbwelle und im absteigenden Ast der negativen Sinus-Halbwelle wird Energie fast ausschließlich an die Glühlampen übertragen, wohingegen im zweiten und vierten Bereich an beide Lampenarten Energie übertragen wird.

Wird der Abschaltbereich um den jeweiligen positiven oder negativen Spitzenwert der Sinus-Halbwellen verengt, so werden beide Lampenarten heller, wird dieser Abschaltbereich verbreitert, so leuchten die Lampen dunkler.

Die Leistung, die mit dem angegebenen Dimmer geschaltet werden kann, hängt vom verwendeten Leistungsschalter, in diesem Falle dem MOS-Transistor (14) und der aufzubringenden Kühlung ab. In Versuchen wurde ein Leistungsbereich von 7 Watt bis 400 Watt realisiert. Dauerversuche zeigten gute Resultate. Messungen an den verwendeten Energiesparlampen ergaben keine Hinweise auf eine Zerstörung der Lampen durch den Dimmerbetrieb. Mit dem angegebenen Dimmer können herkömmliche Energiesparlampen mit elektronischen Vorschaltgerät ebenso wie herkömmliche Glühlampen und Leuchtstofflampen betrieben werden.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Einstellen der Helligkeit von Lampen mit einer einstellbaren Steuerschaltung für die Phase der Versorgungsspannung zur Begrenzung des den Lampen zugeführten Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (4, 5, 6, 7) für die Phase der Versorgungs­ spannung in Abhängigkeit der gewünschten Helligkeit die Amplitude der Versorgungsspannung symmetrisch zu deren Maximalwerten begrenzt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (4, 5, 6, 7) die Versorgungsspannung symmetrisch zu deren Maximalwerten abschaltet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (4, 5, 6) eine Schaltung (5) zur Netzsynchronisation aufweist, die den Nulldurchgang der Versorgungsspannung für die Lampen (8) detektiert und ein Synchronisationssignal an eine Ansteuerlogik (6) abgibt, die in ihrer Länge wählbare Ansteuersignale an einen Leistungsteil (7) liefert, mit dem die Versorgungsspannung symmetrisch zu deren Maximalwerten abgeschaltet wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsversorgung (4) zur Ver­ sorgung der Schaltung (5) für die Netzsynchronisation und die Ansteuerlogik (6) vorgesehen ist, wobei diese Spannungs­ versorgung die Versorgungsspannung direkt aus der Netz­ spannung erzeugt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerlogik (6) zwei von der Schaltung (5) zur Netzsynchronisation angesteuerte und einstellbare Zeitglieder (20, 21) zur Festlegung der um die Spitzenwerte der Versorgungsspannung für die Lampen (8) symmetrisch liegenden Abschaltbereiche aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitglieder (20, 21) Monoflops sind, die von dem Synchronisationssignal eines Nullspannungsdetektors (5) beim Nulldurchgang der Versorgungsspannung für die Lampen (8) angesteuert sind.